功率分配器与定向耦合器

功率分配器与定向耦合器是主要用于无线电或微波领域的被动元件。它们将传输线中的电磁功率耦合到端口（英语：Port (circuit theory)），使得信号能够用在另一个电路中。定向耦合器的一个基本特征是它们只将电磁功率耦合到固定的方向。在两个端口平均分配功率的定向耦合器又称为混合耦合器。

定向耦合器最常由两个耦合的传输线构成，这两个传输线足够靠近，使得其中一个的能量能耦合到另一个。这种技术在微波频率上是有利的，其中传输线设计通常用于实现许多电路元件。然而，集中式组件也可以在较低频率下使用，例如电话中遇到的音频频率。同样在微波频率，特别是较高频带，可以使用波导设计。这些波导耦合器中的许多对应于导电传输线设计中的一个，但是也存在波导特有的类型。

定向耦合器和功率分配器有许多应用。这些包括提供用于测量或监视的信号样本、反馈、组合来自天线的馈送、天线波束成形，为诸如有线电视的有线分布式系统提供分接头，以及在电话线上分离发送和接收信号。

最常用于定向耦合器的符号如图1所示。符号可以在其上标记以dB为单位的耦合因子。定向耦合器有四个端口。端口1是应用电源的输入端口。端口3是耦合端口，其中出现应用于端口1的一部分功率。端口2是输出端口1的电源输出的端口，少于端口3的输出端口。定向耦合器通常是对称的，因此也存在端口4，即隔离端口。施加到端口2的一部分功率将耦合到端口4.但是，该设备通常不用于此模式，端口4通常以匹配负载（通常为50欧姆）终止。 该终止可以在设备内部，并且用户不能访问端口4。实际上，这导致3端口设备，因此图中的定向耦合器的第二符号的效用。

“端口a处的参数P由于端口b处的输入”。

功率分配器的符号如图2所示。功率分配器和定向耦合器都属于同一类器件。定向耦合器通常是较少耦合的4端口器件，只有一小部分输入功率出现在耦合端口上。功率分配器则相反，多数功率能到达输出端口，常被视为三端口器件。

当其他端口都匹配负载时，所有定向耦合器所需的共同特性是较大的带宽、高定向性和所有端口的良好阻抗匹配。

耦合系数的定义为：

${\displaystyle C_{3,1}=10\log <!--\; \; -->\left(\frac{P_3}{P_1}\right)\mathrm{d}\mathrm{B}}$λ/ 4处具有响应，其中是奇整数。

单个λ/ 4耦合部分适用于小于八度的带宽。 为了获得更大的带宽，使用多个λ/ 4耦合部分。 这种耦合器的设计与分布式元件滤波器的设计大致相同。 耦合器的各部分被视为滤波器的部分，通过调整每个部分的耦合系数，可以使耦合端口具有任何经典滤波器响应，例如最大平坦（巴特沃斯滤波器）， 等纹波（椭圆函数滤波器）或指定纹波（切比雪夫滤波器）响应。 纹波滤波器（英语：Ripple (filters)）是通带中耦合端口输出的最大变化，通常用标称耦合因子作为正或负的dB值。

可以看出，耦合线定向耦合器的${\displaystyle \mathrm{\tau <!--\; \tau \; -->}}$是次级匝数比。

对于 3 dB耦合，即在发送端口和耦合端口之间信号的相等分割，${\displaystyle n=\sqrt{2}}$，并且隔离端口以两次终止 50Ω系统的特征阻抗 - 100Ω。基于该电路的 3dB功率分配器具有彼此180°相位的两个输出，与具有90°相位关系的λ/ 4耦合线相比。

简单电阻性T形电路可用作功率分配器，如图18所示。通过Y-Δ变换，该电路也可以实现为Δ电路。使用增量形式电阻器等于系统阻抗。这可能是有利的，因为系统阻抗值的精密电阻器总是可用于大多数系统标称阻抗。 三通电路具有简单，低成本和本质上宽带宽的优点。 它有两个主要缺点; 首先，电路将耗散功率，因为它是电阻性的：相等的分裂将导致 6 dB插入损耗而不是 3 dB。 第二个问题是 0 dB方向性导致输出端口之间的隔离非常差。

对于不均等的功率分配，插入损耗不是问题：例如端口3处的 -40 dB在端口2处具有小于 0.2 dB的插入损耗。隔离可以是通过用T pad s替换输出电阻，以两个输出端口的插入损耗为代价进行了改进。 隔离改善大于增加的插入损耗。

真正的混合分配器/耦合器理论上可以通过电阻桥电路实现无限隔离和方向性。与三通电路一样，电桥具有 6 dB插入损耗。它的缺点是不添加变压器就不能用于不平衡电路; 但是，如果插入损耗不是问题，它是600Ω平衡通信线路的理想选择。桥中代表端口的电阻器通常不是器件的一部分（端口4除外，它可能在内部永久端接），这些电阻由线路终端提供。因此，该装置基本上由两个电阻器（加上端口4终端）组成。

定向耦合器的耦合输出可用于监视信号的频率和功率电平，而不会中断系统中的主要功率流（功率降低除外，见图3）。

如果隔离度很高，定向耦合器有利于组合信号以将单线馈送到接收器以进行双音接收机测试。在图20中，一个信号进入端口P₃，一个进入端口P₂，而两个出口P₁。从端口P₃到端口P₁的信号将经历 10 dB的丢失，并且来自端口P₂的信号到端口P₁将失去 0.5 dB。隔离端口上的内部负载将消除端口P₃和端口P₂的信号损耗。如果忽略图20中的隔离器，则隔离测量（端口P₂到端口P₃）确定来自信号产生器 的功率量F₂将被注入信号发生器 F₁。随着注入水平的增加，它可能导致信号发生器F₁的调制，甚至注入锁相。由于定向耦合器的对称性，反向注入将发生与F₁的信号发生器F₂相同的可能调制问题。因此，在图20中使用隔离器以有效地增加定向耦合器的隔离（或方向性）。因此，注入损耗将是定向耦合器的隔离加上隔离器的反向隔离。

混合电路的应用包括单脉冲比较器、频率混频器、功率合成器、分频器、调制器和相控阵雷达天线系统。两个同相设备（例如威尔金森分频器）和正交（90°）混合耦合器可用于相干功率分配器应用。

在家中使用便宜版本的功率分配器将有线电视或无线电视信号分配给多个电视机和其他设备。具有两个以上输出端口的多端口分离器通常由多个级联耦合器内部组成。域内宽带互联网服务可由有线电视公司提供（有线互联网）。域内用户的互联网电缆调制解调器连接到分离器的一个端口。

由于混合电路是双向的，因此它们可以用于相干地组合功率以及分离功率。在图21中，示出了分离以馈送多个低功率放大器的信号的示例，然后重新组合以馈送具有高功率的单个天线。

每个功率组合器的输入的相位被布置成使得两个输入彼此异相90°。由于混合组合器的耦合端口与发送端口成90°异相，这导致功率在组合器的输出处相加并在隔离端口处抵消：图22中的代表性示例在图22中示出。注意，每个组合器/分配器的两个端口都有一个额外的固定90°相移，为简单起见，图中未示出 。

对两个输入端口施加同相功率将无法获得所需的结果：两个输入端的正交总和将出现在两个输出端口：这是每个输出端口总功率的一半。这种方法允许在电路中使用许多更便宜和更低功率的放大器而不是单个高功率行波管。另一种方法是让每个固态放大器（SSA）馈送天线并使功率在空间中组合或用于馈送连接到天线的镜头。

90°混合耦合器的相位特性可用于微波电路中的巨大优势。 例如，在平衡微波放大器中，两个输入级通过混合耦合器馈电。 场效应晶体管器件通常具有非常差的匹配并且反射大部分入射能量。然而，由于器件基本相同，因此来自每个器件的反射系数相等。来自FET的反射电压在隔离端口处同相，并且在输入端口处为180°不同。因此，来自FET的所有反射功率都会进入隔离端口的负载，并且没有电源进入输入端口。这导致良好的输入匹配（低驻波比）。

如果相位匹配线用于180°混合耦合器的天线输入，如图23所示，则零点将直接出现在天线之间。要在该位置接收信号，必须改变混合类型或线路长度。 要拒绝来自给定方向的信号，或为单脉冲雷达创建差异模式，这是一种很好的方法。

通过将相位延迟到天线阵列的下部元件，可以使用相位差耦合器在VHFFM 无线电台中创建波束倾斜。更一般地，相位差耦合器与固定相位延迟和天线阵列一起用于诸如巴特勒矩阵的波束形成网络中，以在任何规定方向上创建无线电波束。

 本条目引用的公有领域材料来自Avionics Department of the Naval Air Warfare Center Weapons Division的文档《Electronic Warfare and Radar Systems Engineering Handbook (report number TS 92-78)》 （查询于9 June 2006） （pp 6–4.1 to 6–4.5 Power Dividers and Directional Couplers）。